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小白必读:硬盘工作原理(转)

北京军达成数据恢复   2013-01-11 15:28:02 作者:SystemMaster 来源: 文字大小:[][][]

  在1956IBM的一个工程小组向世界展示第一台磁盘存贮系统Ramac1968Winchester技术被提出,硬盘走过了50年的历程,虽然硬盘技术上有很多的进步,衍生出了SCSIIDESATA等多种不同的形式,那只是为了适应新的应用需要开发的不同接口而已,硬盘的结构依然没有超越Wenchester技术的定义:密封、固定并高速旋转的镀磁盘片,磁头延盘片向径移动,磁头悬浮在高速旋转的盘片上方而不与盘片接触。


  硬盘基本上由控制电路板和盘体两大部分组成:
      
控制电路板由接口、DSP处理器、ROM、缓存、磁头驱动电路和盘片电机驱动电路等组成;接口有电源接口和数据接口及硬盘内部的盘片电机接口、磁头接口,电源接口提供硬盘工作所需要的电流,数据接口提供与计算机交换数据的通道,盘片电机接口提供盘片电机转动所需的电流,磁头接口用于提供电路板到磁头和音圈电机的信号连接;DSP处理器用于控制信号和数据的转换、编码等操作;ROM中存储了硬盘初始化操作的部分程序,有的ROM为独立的芯片(可能是EPROMFLASH等),有的集成到了DSP中;缓存用于暂存盘体和接口交换的数据,以解决接口速度和硬盘内部读写速度的差别,缓存的大小对硬盘的数据传输率有一定的影响,随着硬盘的不断发展,缓存的容量也在不断增大;磁头驱动电路负责驱动磁头准确定位和对磁头信号进行整形放大等;电机驱动电路负责精确控制盘片的转速。

盘体由盘腔、上盖、盘片电机、盘片、磁头、音圈电机和其它的辅助组件组成。为保证硬盘正常工作,盘体内的洁净度很高,为防止灰尘进入,盘体处于相对密封的状态,由于硬盘工作的过程中发热,为了保证盘腔的空气压力与外界平衡,在盘体上有呼吸孔,呼吸孔的内侧安装有一个小的空气过滤器,硬盘的设计不同,呼吸孔的位置和结构也有所差别;同时由于盘体在装配完成后,要写入伺服信息,所以盘体上有伺服信息的写入口,在工厂无尘车间里将专用的写入设备从这个孔伸入盘体内写入伺服信息,写入完成后,会用铝箔将其封闭。
盘体的正面

盘体的背面

空气过滤器

盘腔一般由铝合金铸造后机加工而成,盘体的其它组件都直接或间接安装在盘腔上面,盘腔上还有将硬盘安装到其它设备上的螺丝孔。
  上盖一般由铝合金或软磁金属材料加工而成,有的是单层的,有的是由多层材料粘合而成;它的主要作用是与盘腔一起构成一个相对密封的整体,基本上都是用螺钉与盘腔连接,为了保证密封,上盖与盘腔的结合面一般都有密封垫圈。
  盘片电机的主要作用就是带动盘片旋转,在控制电路板上的盘片电机驱动芯片的控制下,盘片电机带动盘片以设定的速度转动,盘片电机的转速由原来低于4000转/分,发展到现在的10000转/分,甚至15000转/分;盘片转速的提高直接决定着硬盘的寻道时间;当然,在提高转速的同时,硬盘的发热量、振动、噪声等也会对硬盘的稳定工作产生影响,所以一些新的技术也不断应用到盘片电机上,由最初的滚珠轴承电机发展到现在的液态轴承电机

硬盘的盘片是硬盘的核心的组件之一,不同的硬盘可能有不同的盘片数量;所有的数据都是存储在盘片上的,盘片是在铝合金或玻璃基底上涂敷很薄的磁性材料、保护材料和润滑材料等多种不同功能的材料层加工而成,其中磁性材料的物理性能和磁层结构直接影响着数据的存储密度和所存储数据的稳定性;为了提高存储密度,防止超顺磁效应的发生,各相关机构进行了大量的研究工作,不断改进磁层的物理性能和磁层结构;磁记录层的记录方式也由以前的纵向磁记录发展到现在的垂直磁记录。在硬盘出厂前,会在盘片上写入伺服信息,将硬盘的盘面划分成一个一个的同心圆,称为磁道,多个盘片的相同位置的磁道形成了一个同心圆柱,这就是硬盘的柱面,在每个磁道上又划分出相同存储容量的扇区作为存储数据的最小单位。要让硬盘正常工作,硬盘必须有相应的初始化和管理程序,其中有部分写在盘片的特定区域,这就是我们常说的固件区,对于不同的硬盘,这个区域的物理位置是不同的,所记录的程序的数量和功能也有差别。由于生产过程中不可能保证整个盘片完全一致,必然有少部分扇区无法稳定读写数据,这就是我们所说的坏道,在每个硬盘出厂前都要进行老化试验,将坏道的位置写入硬盘固件区的工厂坏道表(p-List)中;同时在硬盘使用过程中,有少量的扇区由于种种原因可能也无法正确读写数据,这些坏道的位置也可以写入到硬盘固件区的增长坏道表(G-List)中。
  磁头也是硬盘的核心组件,磁头的性能对硬盘的数据存储密度和内部传输率有很大的影响,磁头最早应用的是铁磁物质,1979年发明了薄膜磁头,使硬盘进一步减小体积、增大容量、提高读写速度成为了可能,80年代末期IBM研发了MR磁阻磁头,后来又研发了GMR巨磁阻磁头,现在的硬盘都是采用GMR磁头,是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据;磁头在工作的过程中并不与盘片接触,而是在盘片高速旋转带动的空气动力的作用下以很低的高度在盘片上面飞行,为了提高磁头的灵敏度,磁头的飞行高度在不断降低;磁头一般跟金属磁头臂、音圈电机线圈和预放电路等组成一个组件,磁头在音圈电机的带动下根据读写数据的需要做往复运动来定位数据所在的磁道

由于磁头需要靠盘片旋转带动的空气动力来飞行,那么在硬盘不工作或盘片电机的转速还没有达到预定值时,磁头无法飞行,而磁头的读写面和盘片都很光滑,如果他们直接接触必然导致粘连而妨碍盘片起转或导致磁头和盘片损伤,为此磁头在不工作时需要停泊在数据区以外的区域;硬盘有两种方式来满足这个要求:第一种方式是在盘片内侧开辟一个环形的磁头停泊区,磁头不工作时停泊在这个地方,为了防止粘连,停泊区被有意加工成带有一定粗糙度的区域,以便磁头停泊在这里时磁头和盘片之间有一定的空气,但这样必然导致硬盘启停时磁头和盘片要发生较严重的摩擦而损伤磁头,所以硬盘还有一个启停次数的指标;第二种方式是在盘片的外面安装一个磁头停泊架,当磁头不工作时停泊在停泊架上,这样正常情况下磁头永远也不会和盘片表面接触,也就不存在启停次数的问题

为了防止硬盘不工作时发生意外,不同的硬盘还设计了不同的磁头锁定机构,当硬盘不工作或盘片没有达到预定转速时,磁头锁定机构将磁头锁定在停泊位置,有些网友反映晃动硬盘时硬盘里有响声,就是由磁头锁定机构发出的;为了防止磁头工作时出现意外而导致磁头撞击盘片电机的主轴或移动到盘片或停泊架以外,还设计有磁头限位装置。
  音圈电机由一到两个高磁场强度的磁体及外围的磁钢组成封闭磁场和音圈电机线圈组成,在磁头驱动电路的控制下,依读写数据的要求带动磁头在盘片上方作往复运动使磁头定位在需要的数据磁道上

硬盘通电以后,DSP首先运行ROM中的程序,部分硬盘会检查各部件的完整性,然后盘片电机起转,当转速达到预定转速时,磁头开始动作定位到盘片的固件区,读取硬盘的固件程序和坏道表,固件区在硬盘上的物理位置并不是一定的,完全由硬盘的设计决定;同时,并不是所有的固件都一定要写在盘片上,在硬盘的所有固件中,只有硬盘的密码是一定写在其固件区的;部分硬盘会先将ROM中记忆的系列号与盘片上的进行比较,如果不一致,硬盘会终止初始化工作,如果固件的关键扇区或文件损坏,硬盘可能出现敲盘、不能被BIOS识别或识别错误等故障;当所有必须的固件正常读出后,磁头会定位到硬盘的0柱面、0磁头、1扇区,也就是我们常说的0道,一般来说,硬盘的0磁头位于靠近盘片电机也就是硬盘的底部,而0道靠近盘片的边缘,然后我们才能对硬盘进行操作。

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